EP0936480A2 - Planarer optischer Wellenleiter und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

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EP0936480A2
EP0936480A2 EP99440018A EP99440018A EP0936480A2 EP 0936480 A2 EP0936480 A2 EP 0936480A2 EP 99440018 A EP99440018 A EP 99440018A EP 99440018 A EP99440018 A EP 99440018A EP 0936480 A2 EP0936480 A2 EP 0936480A2
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layer
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    • G02B6/132—Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method by deposition of thin films

Definitions

  • the invention relates to a planar optical waveguide according to the preamble of claim 1 and a method for producing a planar Optical waveguide according to the preamble of claim 4.
  • the light is guided in planar optical waveguides.
  • SH Houde-Walter describes the typical structure of such optical waveguides in Optics & Photonics News, June 1994, pp. 8-12.
  • a buffer layer is applied to a silicon substrate serving as a carrier, over which there is a core layer structured with the aid of etching processes.
  • the structured core layer is covered by a cover layer.
  • the refractive index of the core layer is higher than that of the buffer and cover layers, so that light coupled into the core layer is essentially guided in the core layer due to total reflection at the interfaces.
  • Silicate glasses are generally used as materials for the buffer, core and cover layers, which are used to set a defined refractive index with suitable substances, e.g. B. germanium or titanium.
  • suitable substances e.g. B. germanium or titanium.
  • a particularly advantageous method for applying glass layers on a substrate is known from an article by M Kasachi et al. entitled “Fabrication of SiO 2 -TiO 2 Glass Planar Optical Waveguides by Flame Hydrolysis Deposition", Electronic Letters, July 1983, Vol. 19, No. 15, pages 583-584.
  • fine glass particles are applied to a substrate using a flame and then sintered in a furnace at high temperature (approx. 1250 ° C.) to form a homogeneous glass. After cooling, the next layer is applied, sintered, etc.
  • a crystalline silicon wafer is used as the substrate, it is found that after the buffer layer has cooled, the wafer is no longer flat but slightly curved.
  • the curvature of the silicon wafer during sintering is due to the fact that silicon has a coefficient of thermal expansion which is approximately seven times greater than that of silicate glass ( ⁇ Si ⁇ 3.5 ⁇ 10 -6 ; ⁇ silicate ⁇ 0.5 ⁇ 10 -6 ). If, at the end of the sintering process, the buffer layer is glazed and thus solidified, the wafer curves concavely away from the buffer layer during the cooling process. With a typical wafer diameter of 4 inches and a 50 ⁇ m thick buffer layer, the height of curvature is approximately 240 ⁇ m.
  • this curvature causes considerable structuring problems the core layer on top.
  • they are after structuring of the core layer remaining, usually only a few microns wide subjected to stress due to the curvature of the wafer, causing the refractive index changes undesirably in the webs.
  • TE and TM modes are spreading with different terms from what only through elaborate tools, e.g. B. Installation of ⁇ / 2 plates, can be compensated.
  • the invention solves these problems with the help of claim 1 and claim 4 specified characteristics.
  • an intermediate layer which has a larger coefficient of thermal expansion than the substrate and the buffer layer.
  • This intermediate layer preferably consists of aluminum oxide (Al 2 O 3 ), which has particularly favorable properties during processing. Furthermore, this material has the advantage of being transparent in the range of the light wavelengths usually used in integrated optical circuits. There is therefore no undesired additional attenuation of the light guided in the planar optical waveguide.
  • a buffer layer PS is shown, which with a Intermediate layer ZS is connected.
  • the intermediate layer ZS has a higher coefficient of thermal expansion than the buffer layer PS, the composite of both layers bends during the itself following cooling, concave to the intermediate layer ZS out. This curvature is shown in a greatly exaggerated manner in FIG.
  • a substrate SUB is shown, which also with an intermediate layer ZS is connected.
  • the intermediate layer also a higher coefficient of thermal expansion than that associated substrate material.
  • FIG. 2 shows a planar optical waveguide POWL according to the invention.
  • a substrate SUB consisting of crystalline silicon
  • a buffer layer PS can be used as a substrate another material, such as glass or a ceramic, is also used become.
  • the intermediate layer ZS has a coefficient of thermal expansion, which is larger than that of the silicon substrate and the the overlying buffer layer PS.
  • a (structured) core layer KS and a cover layer DS is arranged which covers the planar optical waveguide closes at the top.
  • the buffer layer PS, the core layer KS and the cover layer DS consist of this embodiment of silicate glass. However, others are also suitable Types of glasses.
  • the core layer can also be made of a polymer, for example be made. All materials are basically for the intermediate layer ZS suitable, whose thermal expansion coefficient is greater than that of the substrate and that of the overlying buffer layer PS.
  • Al 2 O 3 aluminum oxide
  • Aluminum oxide has the additional advantage of having very good processing properties. An aluminum oxide layer remains hard even when the overlying silicate glass layers are sintered in the solid state, since the melting point of aluminum oxide is approximately 1800 ° C. The thermal expansion coefficient of aluminum oxide is about 6 ⁇ 10 -6 , which is almost twice that of silicon and more than 10 times that of silicate glass. Furthermore, Al 2 O 3 is transparent in the range of the light wavelengths usually used in integrated optical circuits, so that light which is guided in the planar optical waveguide is hardly attenuated by an intermediate layer made of Al 2 O 3 .
  • a Thermal oxide layer covered silicon wafer with a thin aluminum layer Mistake The aluminum can be applied, for example, by sputtering become.
  • the optimal thickness of the aluminum layer depends on the ratio the thermal expansion coefficient of aluminum oxide, the silicon substrate and the buffer layer.
  • the optimal thickness can be empirically determined easily determine the aluminum layer; with a common dimensioning of a planar optical waveguide, it is of the order of approx. 150 to 300 nm.
  • a buffer layer made of silicate glass The for this necessary measures are elsewhere (see e.g. the entry cited article by M. Kawachi et al.) therefore not explained in more detail here.
  • When sintering the buffer layer The aluminum turns into approx. 1300 ° C in an oxygen-containing atmosphere Alumina around.
  • the core and cover layers are then in applied in a known manner.

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Abstract

Bekannt ist, zur Herstellung planarer optischer Wellenleiter mehrere Glasschichten auf einem Siliziumwafer aufzubringen. Dazu werden mittels Flammhydrolyse feine Glaspartikel auf dem Wafer verteilt und anschließend bei hohen Temperaturen zu einer zusammenhängenden Schicht verglast. Aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten kommt es beim Erkalten zu einer Krümmung der Siliziumwafer. Diese Krümmung wirkt sich nachteilig auf die folgenden Prozeßschritte und die Qualität der Lichtführung in den optischen Wellenleitern aus. Um diese Krümmung zu vermeiden, ist erfindungsgemäß vorgesehen, unmittelbar auf dem Siliziumwafer (SUB) eine Zwischenschicht (ZS) aufzubringen, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient größer ist als der des Siliziumwafers und der auf der Zwischenschicht aufzutragenden untersten Glasschicht ("Pufferschicht, PS). Als Material für diese Zwischenschicht bietet sich wegen seines hohen Schmelzpunktes insbesondere Aluminiumoxid (Al2O3) an. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen planaren optischen Wellenleiter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines planaren optischen Wellenleiters nach dem Oberbegriff des Anspruchs 4.
In integrierten optischen Schaltungen, z. B. optischen Verzweigern oder Mach-Zehnder-lnterferometern, wird das Licht in planaren optischen Wellenleitern geführt. S. H. Houde-Walter beschriebt in Optics & Photonics News, June 1994, S. 8 - 12, den typischen Aufbau derartiger optischer Wellenleiter. Auf einem als Träger dienenden Silizium-Substrat ist eine Pufferschicht aufgebracht, über der sich eine mit Hilfe von Ätzprozessen strukturierte Kernschicht befindet. Die strukturierten Kernschicht ist von einer Deckschicht bedeckt. Der Brechungsindex der Kernschicht ist höher als derjenige der Puffer- und der Deckschicht, so daß in die Kernschicht eingekoppeltes Licht aufgrund von Totalreflektion an den Grenzflächen im wesentlichen in der Kernschicht geführt wird.
Als Materialien für die Puffer-, Kern- und Deckschicht verwendet man in der Regel Silikatgläser (SiO2), die zur Einstellung eines definierten Brechungsindexes mit geeigneten Stoffen, z. B. Germanium oder Titan, dotiert werden. Ein besonders vorteilhaftes Verfahren zum Aufbringen von Glasschichten auf einem Substrat ist bekannt aus einem Aufsatz von M Kasachi et al. mit dem Titel "Fabrication of SiO2-TiO2 Glass Planar Optical Waveguides by Flame Hydrolysis Deposition", Electronic Letters, July 1983, Vol. 19, No. 15, Seiten 583-584. Bei dem dort beschriebenen Verfahren werden mit Hilfe einer Flamme feine Glaspartikel auf einem Substrat aufgebracht und anschließend in einem Ofen bei hoher Temperatur (ca. 1250 °C) zu einem homogenen Glas gesintert. Nach dem Erkalten wird die nächste Schicht aufgebracht, gesintert usw.
Wenn man als Substrat einen kristallinen Siliziumwafer verwendet, so stellt man fest, daß der Wafer nach dem Erkalten der Pufferschicht nicht mehr plan, sondern leicht gekrümmt ist. Die Krümmung des Siliziumwafers beim Sintern hat seine Ursache darin, daß Silizium einen etwa siebenfach größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat als Silikatglas (αSi ≈ 3,5 · 10-6; αSilikat ≈ 0,5 · 10-6). Wenn am Ende des Sintervorgangs die Pufferschicht verglast und damit fest geworden ist, so krümmt sich während des Erkaltungsvorgangs der Wafers konkav von der Pufferschicht weg. Bei einem typischen Wafer-Durchmesser von 4 Zoll und einer 50 µm dicken Pufferschicht beträgt die Krümmungshöhe etwa 240 µm.
Diese Krümmung bereitet zum einen erhebliche Probleme bei der Strukturierung der daraufliegenden Kernschicht. Zum anderen sind die nach der Strukturierung der Kernschicht übrigbleibenden, meist nur wenige µm breiten Stege infolge der Krümmung des Wafers einer Verspannung ausgesetzt, wodurch sich der Brechungsindex in den Stegen in unerwünschter Weise verändert. Als Folge davon breiten sich TE- und TM-Moden mit unterschiedlichen Laufzeiten aus, was nur durch aufwendige Hilfsmittel, z. B. Einbau von λ/2-Plättchen, kompensiert werden kann.
Dieses Problem läßt sich auch nicht einfach durch die Verwendung anderer Substratmaterialien umgehen. So ist selbst bei Glassubstraten beobachtet worden, daß sich das Substrat zusammen mit einer darauf aufgebrachten Glas-Pufferschicht nach Wärmeeinwirkung dauerhaft verzieht. In der EP-A2-793 122 wird beispielsweise vorgeschlagen, zur Vermeidung dieses Effekts ein Glassubstrat zu verwenden, das einen besonders niedrigem Gehalt an Hydroxyl-Gruppen hat.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen planaren optischen Wellenleiter anzugeben, bei dessen Herstellung eine Krümmung des den planaren optischen Wellenleiter tragenden Substrats weitgehend vermieden wird. Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, ein hierfür geeignetes Herstellungsverfahren anzugeben.
Die Erfindung löst diese Aufgaben mit Hilfe der in Anspruch 1 bzw. der in Anspruch 4 angegebenen Merkmale.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß zwischen dem Substrat und der für die Lichtführung vorgesehenen Anordnung von Glasschichten eine Zwischenschicht ist, die einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat als das Substrat und die Pufferschicht. Während des Erkaltens nach dem Sintern möchte sich diese Zwischenschicht sowohl vom Substrat als auch von der Pufferschicht wegkrümmen. Beide Einflüsse kompensieren sich jedoch, so daß die Zwischenschicht die Wärmespannungen aufnimmt, ohne daß es dabei zu einer Krümmung kommt.
Vorzugsweise besteht diese Zwischenschicht aus Aluminiumoxid (Al2O3), welches besonders günstige Eigenschaften bei der Verarbeitung hat. Desweiteren hat dieses Material den Vorteil, im Bereich der üblicherweise in integrierten optischen Schaltungen verwendeten Lichtwellenlängen transparent zu sein. Somit kommt es zu keiner unerwünschten zusätzlichen Dämpfung des im planaren optischen Wellenleiter geführten Lichts.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Ausführungsbeispiele und der Zeichnungen eingehend erläutert. Es zeigen:
  • Fig. 1: Eine Prinzipskizze zur Erläuterung der Funktionsweise der Erfindung;
  • Fig. 2: Einen erfindungsgemäßen planaren optischen Wellenleiter.
    • Die Funktionsweise der Erfindung wird nachfolgend anhand der Fig. 1 erläutert. Ganz oben auf der Figur ist eine Pufferschicht PS dargestellt, die mit einer Zwischenschicht ZS verbunden ist. Da erfindungsgemäß die Zwischenschicht ZS einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt als die Pufferschicht PS, krümmt sich der Verbund aus beiden Schichten während des sich an eine Wärmezufuhr anschließenden Erkaltens konkav zur Zwischenschicht ZS hin. In Fig. 1 ist diese Krümmung stark übertrieben dargestellt.
    In der Mitte der Fig. 1 ist ein Substrat SUB dargestellt, welches ebenfalls mit einer Zwischenschicht ZS verbunden ist. Erfindungsgemäß hat die Zwischenschicht auch einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als das damit verbundene Substratmaterial. Folglich krümmt beim Erkalten der Verbund beider Schichten genauso wie im oben dargestellten Fall konkav zur Zwischenschicht hin.
    Wenn man sich nun vorstellt, daß die oben dargestellte Zwischenschicht ZS eins mit der in der Mitte dargestellten Zwischenschicht ZS ist, so entsteht der in Fig. 1 unten gezeigte Verbund aus einem Substrat SUB, einer Zwischenschicht ZS und einer Pufferschicht PS. Die in Fig. 1 darüber dargestellten Krümmungen heben sich bei diesem Verbund gleichsam gegenseitig auf, so daß der Verbund auch nach Wärmezufuhr und anschließendem Erkalten plan bleibt.
    Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen planaren optischen Wellenleiter POWL. Auf einem aus kristallinem Silizium bestehendem Substrat SUB befindet sich eine Zwischenschicht ZS und darüber eine Pufferschicht PS. Als Substrat kann ebenso auch ein anderes Material, etwa Glas oder eine Keramik, verwendet werden. Die Zwischenschicht ZS hat erfindungsgemäß einen thermischer Ausdehnungskoeffizienten, der größer ist als der des Silizium-Substrats und der der darüberliegenden Pufferschicht PS. Auf der Pufferschicht sind wie bei bekannten planaren optischen Wellenleitern eine (strukturierte) Kernschicht KS und eine Deckschicht DS angeordnet, die den planaren optischen Wellenleiter nach oben hin abschließt.
    Die Pufferschicht PS, die Kernschicht KS und die Deckschicht DS bestehen in diesem Ausführungsbeispiel aus Silikatglas. Geeignet sind jedoch auch andere Arten von Gläsern. Die Kernschicht kann beispielsweise auch aus einem Polymer hergestellt sein. Für die Zwischenschicht ZS sind grundsätzlich alle Materialien geeignet, deren thermischer Ausdehnungskoeffizienten größer ist als der des Substrats und der der darüberliegenden Pufferschicht PS.
    Für Pufferschichten aus Silikatglas und Substraten aus Silizium hat sich gezeigt, daß eine Zwischenschicht aus Aluminiumoxid (Al2O3) diesen Anforderungen genügt. Aluminiumoxid hat zusätzlich den Vorteil, sehr gute Verarbeitungseigenschaften zu haben. So bleibt eine Aluminiumoxidschicht auch beim Sintern der darüberliegenden Silikatglasschichten im festen Zustand hart, da der Schmelzpunkt von Aluminiumoxid bei ca. 1800 °C liegt. Der thermische Ausdehnungskoeffizient von Aluminiumoxid beträgt etwa 6 · 10-6 und ist damit beinahe doppelt so groß wie der von Silizium und mehr als 10mal so groß wie der von Silikatglas. Ferner ist Al2O3 im Bereich der üblicherweise in integrierten optischen Schaltungen verwendeten Lichtwellenlängen transparent, so daß Licht, welches im planaren optischen Wellenleiter geführt wird, durch eine Zwischenschicht aus Al2O3 kaum gedämpft wird.
    Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen planaren optischen Wellenleiters wird nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel zunächst ein mit einer thermischen Oxidschicht bedeckter Siliziumwafer mit einer dünnen Aluminiumschicht versehen. Das Aluminium kann beispielsweise durch Sputtern aufgebracht werden. Die optimale Dicke der Aluminiumschicht hängt vom Verhältnis der thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Aluminiumoxid, des Silizium-Substrats und der Pufferschicht ab. Empirisch läßt sich die optimale Dicke der Aluminiumschicht leicht ermitteln; bei einer gängigen Dimensionierung eines planaren optischen Wellenleiters liegt sie in der Größenordnung von ca. 150 bis 300 nm. Anschließend wird auf diese Aluminiumschicht mit Hilfe der Flammhydrolyse eine Pufferschicht aus Silikatglas aufgebracht. Die hierzu notwendigen Maßnahmen sind an anderer Stelle (siehe z. B. den eingangs zitierten Aufsatz von M. Kawachi et al.) eingehend beschrieben und werden daher an dieser Stelle nicht näher erläutert. Beim Sintern der Pufferschicht bei ca. 1300 °C in sauerstoffhaltiger Atmosphäre wandelt sich das Aluminium in Aluminiumoxid um. Die Kern- und die Deckschicht wird anschließend in an sich bekannter Weise aufgebracht.

    Claims (6)

    1. Planarer optischer Wellenleiter (POWL) mit einer Anordnung von Glasschichten (PS, KS, DS) zur Führung von Licht und mit einem diese Anordnung tragenden Substrat (SUB), dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Substrat und der Anordnung von Glasschichten eine Zwischenschicht (ZS) ist, die einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat als das Substrat und als diejenige Glasschicht (PS) der Anordnung, die dem Substrat zugewandt ist.
    2. Planarer optischer Wellenleiter nach Anspruch 1, bei dem die Zwischenschicht aus Al2O3 besteht.
    3. Planarer optischer Wellenleiter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die Anordnung von Glasschichten eine Pufferschicht (PS), eine strukturierte Kernschicht (KS) und eine Deckschicht (DS) umfaßt.
    4. Verfahren zur Herstellung eines planaren optischen Wellenleiters (POWL), umfassend die folgenden Schritte:
      a) Bereitstellen eines Substrates (SUB), welches wenigstens eine im wesentlichen ebene Oberfläche hat,
      b) Aufbringen einer Zwischenschicht (ZS) auf der wenigstens einen im wesentlichen ebenen Oberfläche des Substrats, wobei die Zwischenschicht einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat als das Substrat und als diejenige Glasschicht, die dem Substrat zugewandt ist,
      c) Aufbringen einer zur Führung von Licht vorgesehenen Anordnung von Glasschichten (PS, KS, DS) auf der Zwischenschicht.
    5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Zwischenschicht aus Al2O3 besteht.
    6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, bei dem die Glasschichten und/oder der Zwischenschicht mit Hilfe von Flammhydrolyse auf der wenigstens einen im wesentlichen ebenen Oberfläche des Substrats aufgebracht werden/wird.
    EP99440018A 1998-02-10 1999-01-29 Planarer optischer Wellenleiter und Verfahren zu seiner Herstellung Withdrawn EP0936480A3 (de)

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